Shiga-toksiinit

Question: Mitkä tuottavat Shiga-toksiineja?

Shiga-toksiineiksi kutsutaan nykyään kaikkia niitä toksiineja, jotka ovat rakenteeltaan ja toiminnaltaan samankaltaisia kuin Shigella -suvun S. dysenteriae serotyyppi 1 -bakteerin tuottama Shiga-toksiini (Stx). Shiga-toksiinia tuottavat Escherichia coli (STEC) -kannat, joista
tunnetuin lienee E. coli O157:H7, ovat yksi merkittävimmistä ruokamyrkytysten aiheuttajista maailmalla. STEC-kantojen tuottamia Shiga-toksiineja kutsutaan myös nimillä verotoksiinit (VT) ja Shiga-like -toksiinit (SLT). STEC-kantojen tuottamat toksiinit jaetaan kahteen pääryhmään, Stx1- ja Stx2-toksiineihin. Stx2-ryhmässä toksiineita on useita alatyyppejä (variantteja), kuten Stx2, Stx2c, Stx2d, Stx2e ja Stx2f. Yleisesti on havaittu, että Stx2 on toksisempi kuin Stx1, vaikka yksiselitteistä syytä tähän ei ole pystytty antamaan.[1]
Shiga-toksiinien rakenne ja toimintamekanismi
Shiga-toksiinit kuuluvat isompaan kasvien ja bakteerien tuottamaan toksiiniperheeseen, jotka sitoutuvat ensin solun pinnan reseptoreihin, kulkeutuvat endosytoosilla solun sisälle ja tuhoavat solun inhiboimalla proteiinisynteesiä. Tällaisia toksiineita ovat muun muassa risiini ja koleratoksiini.[2][3] Shiga-toksiinien rakenne on muotoa AB5, jossa on entsymaattinen A-osa ja solunpinnan reseptoriin sitoutuva, viidestä identtisestä B-yksiköstä koostuva B-osa. Holotoksiinin rakenteessa reseptoriin sitoutuva osa sijaitsee A-osan C-terminaalisessa päässä. Shiga-toksiinit ovat noin 70 kDa:n suuruisia; A-osa on noin 32 kDa ja kukin B-yksikkö noin 7,7 kDa. A-osa jaetaan vielä A1 (27,5 kDa) - ja A2 (4,5 kDa) -osiin, joiden välillä on sisäinen kysteiinien välinen disulfidisidos. A1-osalla on N-glykosidaasi-aktiivisuus ja vapauduttuaan sytosoliin se inhiboi aminoasyyli-tRNA:n sitoutumista ribosomiin poistamalla entsymaattisesti yhden spesifisen adeniinin eukarioottisolujen ribosomin 60S-alayksikön 28S rRNA:sta. A1-osan irtoaminen A2-osasta vaatii sekä proteolyyttisen prosessoinnin että disulfidisidoksen pelkistyksen.[2][1]
Shigella-bakteerien tuottama Stx ja STEC-kantojen tuottama Stx1 ovat rakenteeltaan hyvin samankaltaisia, ne eroavat vain yhden A-osan aminohapon suhteen, mutta esimerkiksi Stx1- ja Stx2-toksiinien A-osan aminohapposekvensseillä on vain 55 % homologia. Lisäksi Stx2 ja sen variantit poikkeavat Stx1-toksiinista ja toisistaan B yksiköiden aminohapposekvenssien osalta, mikä vaikuttaa toksiinien kykyyn sitoutua solukalvon reseptoreihin.[1] Stx- ja Stx2-toksiinien rakenteita tutkimalla on havaittu, että toksiineissa on useita kohtia, jotka ovat erilaisia. Näiden osien erilaisuus vaikuttaa toksiinimolekyylien konformaatioon ja konformaatiomuutosten arvellaan puolestaan vaikuttavan toksiinien patogeenisyyteen joko aktiivisen kohdan helpommalla saavutettavuudella tai B-osan korkeammalla affiniteetilla reseptoriin.[1]
Shiga-toksiinien kulkeutuminen soluun ja solussa
Endosytoosi
Päästäkseen soluun Shiga-toksiinien on ensin sitouduttava solun pinnan Gb3-
glykolipidireseptoriin (globotriaosylceramide), poikkeuksena Stx2e, joka sitoutuu mieluummin Gb4 (globotetraosylceramide) -glykolipidiin. Shiga-toksiinien B5-pentameeri-rakenteesta on löydetty kolme erillistä kohtaa, jotka voisivat sitoutua reseptorien hiilihydraattiosiin.[1] Reseptoriin sitoutuminen saa aikaan pääasiassa klatriinivälitteisen endosytoosireitin aktivoitumisen, mutta mekanismia tähän ei tunneta. Toisaalta klatriinivälitteinen reitti ei vaikuttaisi olevan ainoa mahdollisuus, sillä reitin inhiboiminen ei täysin estä Shigatoksiinien endosytoosia soluun. On ehdotettu, että klatriinivälitteinen endosytoosi voisi aktivoitua seuraavilla tavoilla: 
Stx-Gb3 -kompleksi vuorovaikuttaa jonkin proteiinin kanssa, joka otetaan soluun klatriinivälitteisellä endosytoosilla
toksiini aiheuttaa isäntäsolussa toksiini-spesifisen signalointireitin aktivoitumisen, mikä saa aikaan klatriinien järjestäytymisen
Gb3-molekyylien ristiinsitoutuminen keskenään ja mahdollisesti jopa muiden lipidikertymien kanssa saa aikaan klatriinivälitteisen endosytoosin.
On kuitenkin osoitettu, että kasvava Stx-pitoisuus stimuloi toksiinin endosytoosia ja että toksiinimolekyylin A-osa on tässä välttämätön. A-osat saattaisivat vuorovaikuttaa joko keskenään saaden aikaan toksiinimolekyyliklustereita solukalvolle tai muiden solukalvon proteiinien kanssa,
mikä johtaisi toksiinien endosytoosiin.[4]
Kulkeutuminen Golgin laitteeseen
Solun sisällä Shiga-toksiinit kuljetetaan endosomista Golgin laitteen kautta endoplasmiseen kalvostoon (ER). Havaintoja on toksiinien kuljetuksesta myös lysosomeihin, missä ne hajotetaan. Solun pinnan reseptoreiden lipidiosan koostumuksen on ajateltu vaikuttavan siihen, mihin toksiinimolekyyliä kuljetetaan solun sisällä.[2] Ei ole varmaa tietoa siitä, miten Shiga-toksiinit kulkeutuvat Golgin laitteeseen. Myöhäisten endosomien ja TGN:n (trans-Golgi network) välillä tunnetaan Rab9-välitteinen mekanismi, mutta tämän reitin inhiboiminen ei suoraan vaikuta Shiga-toksiinien kykyyn aiheuttaa solun kuolema. Siksi uskotaan, että Shiga-toksiinit saattavat kulkeutua Golgin laitteeseen ennemminkin varhaisista endosomeista. Useat tutkimukset ehdottavat erilaisia teorioita, jotka saattaisivat vaikuttaa toksiinien kuljetukseen endosomeista Golgin laitteeseen (kuten Rab11- ja Rab6a’-välitteiset mekanismit, v/t-SNARE -systeemi, reseptorimolekyylien lipidikoostumus ja solun kolesterolipitoisuus).[3]
Kulkeutuminen endoplasmakalvostoon ja vapautuminen sytosoliin
Golgin laitteen eri osien sekä Golgin laitteen ja endoplasmakalvoston välillä tunnetaan hyvin COPI-välitteinen mekanismi. Kun proteiineissa on KDEL-sekvenssi, ne kuljetetaan Golgista
endoplasmakalvostoon COPI-proteiinin päällystämissä vesikkeleissä. Jotkin proteiinitoksiinit, kuten Pseudomonas-bakteerin tuottama eksotoksiini A, kuljetetaan endoplasmakalvostoon COPI-välitteisellä mekanismilla. Shiga-toksiineilla ei kuitenkaan ole KDEL-sekvenssiä, joten kuljetuksen täytyy tapahtua muulla tavalla, mutta tutkimuksia tästä ei ole juurikaan tehty.[3] Endoplasmakalvostoon päästyään toksiinimolekyylin aktiivisen osan on vapauduttava sytosoliin, jotta se voi inhiboida proteiinisynteesiä. Risiinin ja koleratoksiinin osalta on näyttöä siitä, että toksiinimolekyylit voivat vapautua sytosoliin Sec61-proteiinikompleksin avulla, mutta Shiga-toksiinin osalta tutkimuksia ei ole. Sec61-proteiinikompleksi siirtää normaalisti uusia syntetisoitavia proteiineja sytosolista endoplasmakalvostoon, mutta myös väärin laskostuneita proteiineja endoplasmakalvostosta sytosoliin, missä ne joutuvat proteasomin hajotettavaksi.
Mekanismia Shiga-toksiinin aktiivisen osan vapautumiselle ei kuitenkaan tunneta ja näytön puuttuessa onkin esitetty lähinnä kysymyksiä, kuten 
missä vaiheessa A1-osa irrotetaan proteolyyttisesti A2-osasta
missä vaiheessa disulfidisidos pelkistyy
vapautuuko sytosoliin vain A1-osa vai myös A2- tai jopa koko B-osa [2][3]
Lähteet
Fraser, M.E., Fujinaga, M., Cherney, M.M., Melton-Celsa, A.R., Twiddy E.M., O’Brien, A.D. ja James, M.N.G.: Structure of Shiga toxin type 2 (Stx2) from Escherichia coli O157:H7. J. Biol. Chem. 279 (2004) 27511-7.
Sandvik, K.: Shiga toxins. Toxicon 39 (2001) 1629-35.
Sandvik, K. ja van Deurs, B.: Transport of protein toxins into cells: pathways used by ricin, cholera toxin and Shiga toxin. FEBS Lett. 529 (2002) 49-53.
Torgersen, M.L., Lauvrak, S.U. ja Sandvik, K.: The A-subunit of surface-bound Shiga toxin stimulates clathrin-dependent uptake of the toxin. FEBS Journal 272 (2005) 4103-13.
Viitteet

Luokka:Bakteerimyrkyt
Luokka:Mikrobitoksiinit